Page 49 - 標檢局雙月刊198期

分析，可進行風力機組於不同風速、風向等操作條件下之動態行為分析。次系統 ANSYS 讀取建模，並利用 BEM(葉片元素動量理論)計算理論受力，提供 ANSYS 部分，以 MATLAB/SIMULINK 發展風力機組之旋角控制(pitch control)及轉向控 分析應力分佈。 制(yaw control)，進行閉迴路模擬，分析於不同風況下，不同旋角控制及不同轉 參、小型風力機控制模組動態模擬分析 向控制下，所產生之力量、轉速等。得以在更趨近於實際風況下進行動模擬分析， 本文成功整合三種不同分析工具，包含：FAST(空氣動力)、ADAMS(風力機組動 小型風力機之壽命可採用一組風力機可能承受之最激烈情況之設計條件來表 態)以及 MATLAB/SIMULINK(風機次系統及閉迴路控制系統)，克服三不同軟體 示，負載狀況應由特定組裝、豎立、維護及運轉或設計狀況與外部條件之組合而 整合介面困難，可同時進行三軟體平行動態模擬(Co-simulation)分析。 決定。每種設計狀況中，應考慮數個設計負載狀況，以驗證小型風力機組件之結 構完整性。依 CNS 15176-2 規定至少應考慮表 1 所列之設計負載狀況。 貳、文獻回顧 一、設計評估定義 搜尋歷年來有關風力機論文，1919 年 Betz 提出風車轉子效率係數 Cp 最大為 [1] 依據國際認可之標準，應用認可之計算工具，在風力發電系統考量之運轉條 59 %，1985 年 Johnson 提出頂端速度比 λ(Tip speed ratio, TSR)：葉片頂端速度 [7] 與風速之比；風車轉子效率係數 Cp，用以比較出當時一般風力發電機設計特性。 件下，確認中小型風力發電系統符合要求。依據標準國內參考 IEC 61400-2 訂定 [8] 風力發電機動態模擬(Dynamic simulation)技術為風機設計發展過程中不可或缺之 CNS 15176-2 【風力機-第 2 部：小型風力機設計要求】。 關鍵性技術，於設計階段評估風機之動態特性。近年來風力發電機動態模擬工具 二、操作模式分析 陸續被發展及應用，風機模擬軟體 FAST 於 2002 年由 NREL(National Renewable 風力機的負載狀況和風機的控制狀態以及風況有很大的關係，所以實際的設 Energy Laboratory，美國國家再生能源實驗室)開發出第一個整合版本(FAST v4.0)， [2] 陸續再改版，現在最新的版本為 2012 年 2 月發行的 FAST v7.01.00a-bjj 。2005 計評估，就是要不同控制狀況和不同風況的計算組合。因此每一台風機的設計負 [3] 年成大航太研究所徐彬堯碩士論文 ”風車葉片運動模擬與動態分析”利用 FAST 載範圍分析，須要計算的案例非常的多，主要就是表 1 中的設計狀況加上 DLC 風況，再考慮計算極限負載或是疲勞負載，或是兩者皆計算，每一種案例皆須計 建構水平軸式風車，然後將模型轉入 Adams 模擬軟體中進行分析與運動模擬； 算。並考慮主要設計部位的負載，如葉片根部，轉子轉軸及塔架等，最後計算其 並利用 ANSYS 有限元素商用軟體建立一個完整的風車葉片模型進行動態模擬分 最大應力是否超過允許應力，用以判定風機是否安全。 析，將 FAST 所分析出作用在葉片上之等效力和等效力矩最大負載輸入計算，可 以下圖示為完整的風力機操作模式，用以建立進行設計負載範圍分析：（以 得出整個葉片之變形量、應力分布和自然振動頻率。此論文已具風力機設計驗證 [4] 氣彈力模式用商用軟體進行分析） 雛形。2006 年 Boukhezzar 教授與 NREL 合作，提出創新 Multivariable 控制器整 合力矩與旋角控制，使用 FAST 軟體建構風機非線性系統，並使用 PID 及 LQG 【1】正常運轉程序 控制器比較其結果。行政院原子能委員會核能研究所的陸仁凱 [5] 提出 FAST/SIMULINK 進行 150 kW 風機 IEC 61400-1 負載計算。2010 年成大航太研 [6] 究所吳文翔碩士論文 ”複材風力發電機葉片設計與分析”，利用 Matlab 建立視覺 化的使用者介面，在介面中建立葉片模型與材料分佈，輸出成純文字檔以供 42 Bureau of Standards, Metrology and Inspection 198 43